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Explosionssichere Vorrichtung zur automatischen
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Entnahme von Flüssigkeitsproben, beispielsweise aus der Kanalisation
Die Erfindung betrifft eine explosionssichere Vorrichtung zur automatischen Entnahme
von Flüssigkeitsproben, beispielsweise aus der Kanalisation, mit einer Druck- oder
Sauggasquelle und einer Meßkammer mit einer Flüssigkeitszuleitung und einer mittels
eines Ventiles verschließbaren Auslaufleitung, die zu Probenspeicherbehältern führt.
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Probenentnahmevorrichtungen der eingangs genannten Art sind bereits
bekannt (DT-OS 23 64 889, 24 59 224).
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Elektrisch betriebene und gesteuerte Vorrichtungen haben nur ein begrenztes
Einsatzgebiet und können nur schwer im Kanalisationsbereich angeordnet werden, wo
Explosionsgefahr besteht. Soweit die bekannten Vorrichtungen pneumatisch betrieben
werden, haben die Vorrichtungen den Nachteil, daß sie einen relativ großen Luftverbrauch
haben, so daß sie über längere Versorgungsleitungen mit einem Drucklufterzeuger
in Verbindung stehen sollten.
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Es ist bei Vorrichtungen der eingangs genannten Art auch bereits bekannt,
vor einer Probenentnahme die Leitung von Rückständen freizublasen, bevor durch diese
Leitung Flüssigkeit für eine neue Probenentnahme angesaugt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Probenentnahmevorrichtung
zu schaffen, die absolut explosionssicher ausgebildet ist sowie selbstreinigend
und verstopfungsarm arbeitet, mit kleinstem Pegelstand auskommt und für den Betrieb
einen geringen Druckgasverbrauch benötigt.
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Die gestellte Aufgabe wird mit einer Vorrichtung der eingangs genannten
Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sie eine durch Druck- oder Sauggas betätigbare
Membranpumpe aufweist, von welcher eine Pumpenkammer mit der Meßkammer verbunden
ist, und daß in der Meßkammer das Ende der Flüssigkeitszuleitung auf der Höhe eines
gewünschten Meßspiegels angeordnet ist und die Meßkammer mit einem Entlüftungsventil
versehen ist. Dabei kann das Ende der Flüssigkeitszuleitung in der Meßkammer höhenverstellbar
angeordnet sein.
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Den Verbrauch an Druckgas auf ein Minimum zu begrenzen, wird mit der
erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung dadurch erreicht, daß zum Ausblasen der
Flüssigkeitszuleitung vor der Probenentnahme nur eine begrenzte und durch den Pumphub
der verwendeten Membranpumpe bestimmte Gasmenge verwendet wird, wobei die Membranpumpe
ein Hubvolumen aufweist, das größer ist als das Volumen der Flüssigkeitszuleitung.
Außerdem wird zur Rückführung überschüssiger Probenflüssigkeit aus der Meßkammer
kein Druckgas benötigt. Die gewünschte Probenmenge wird durch die Lage des Endes
der Flüssigkeitszuleitung bestimmt, und durch ein Entlüften der Meßkammer wird überschüssige
Probenflüssigkeit durch die Flüssigkeitszuleitung nach dem Saugheberprinzip abgezogen.
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Als Druck- oder Sauggas wird weitgehend Druckluft verwendet. In Sonderfällen
kann aber auch ein Schutzgas (z.B. Stickstoff) als Antriebsmittel verwendet werden.
Wegen des geringen Druckgasverbrauchs kann die ganze Vorrichtung mit einem Druckgasspeicher
kombiniert und damit auch weit entfernt von einem Druckgaserzeuger angeordnet werden0
Die Vorrichtung kann also mit einer kleinen Druckluftflasche oder Druckgasflasche
ausgerüstet werden. Die Vorrichtung läßt sich in den meisten Anwendungsfällen auch
ausschließlich mit Druckgas betreiben. Ein Sauggasantrieb ist nur für eine spezielle
Ausführungsform der Antriebsvorrichtung erforderlich, bei der dann ein relativ größerer
Druckgasverbrauch zur Erzeugung eines zeitweiligen Unterdrucks in Kauf genommen
werden muß.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform, die sich mit geringstem Druckgasverbrauch
betreiben läßt, ist die Pumpe als Doppelmembranpumpe mit zwei starr miteinander
gekoppelten Membranen ausgebildet, die jeweils zwei gesonderte Pumpenkammern voneinander
trennen. Die erste Membran trennt hierbei eine mit der Meßkammer verbundene Pumpenkammer
von einer wahlweise mit der Druckgasquelle verbindbaren Kammer, während die mit
der ersten Membrane starr verbundene zweite Membrane eine ebenfalls wahlweise mit
der Druckgasquelle verbindbare Kammer von einer dauernd entlüfteten Kammer trennt.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, die sich mit geringstem
Druckgasverbrauch betreiben läßt, ist die Pumpe als Einfachmembranpumpe mit einer
starr mit der Membrane gekoppelten Kolbenstange eines Druckzylinders ausgebildet,
der die Einfachmembrane hin- und herbewegen kann. Der geschlossene Membranraum ist
dabei direkt mit der Meßkammer verbunden. Für geringe Eintauchtiefen kann das Freiblasen
der Saugleitung mittels Federkraft erfolgen.
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Für übliche Saughöhen bis ca. 3 m läßt sich die Vorrichtung gemäß
der Erfindung so ausbilden, daß die als Fördervorrichtung verwendete Membranpumpe
mit dem Probenmedium nicht direkt in Berührung kommt.
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Dies ist ein wesentlicher Vorteil und erhöht die Betriebssicherheit
einer solchen Vorrichtung.
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Lediglich in Einsatzfällen, bei denen ein größerer Höhenunterschied
zwischen der Meßkammer und der Probenentnahmestelle unumgänglich ist, kann die Membranpumpe
als mit dem Probenmedium in Berührung kommende echte Förderpumpe in Verbindung mit
ebenfalls druckgasbetätigten Quetschventilen eingesetzt werden.
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Die Vorrichtung läßt sich ohne elektrische Steuer-und Antriebsteile
ausbilden. Die Membranpumpe als eigentlicher Förderteil der Vorrichtung und die
in der Vorrichtung verwendeten Ventile werden sämtliche von einer Druckgasquelle
aus betrieben.
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Zur automatischen Betätigung der Vorrichtung können mechanische, mechanisch-pneumatische
oder pneumatische Steuerorgane verwendet werden.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert.
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Im einzelnen zeigen: Fig. 1 eine erste bevorzugte Ausführungsform
der Probenentnahmevorrichtung; Fig. 2 die Membranpumpe der Antriebsvorrichtung in
drei unterschiedlichen Stellungen; Fig. 3 eine zweite Ausführungsform der Probenentnahmevorrichtung;
Fig. 4 eine abgewandelte Ausführungsform der Membranpumpe in zwei Betriebsstellungen;
Fig. 5 eine weitere Ausführungsform der Membranpumpe mit Kolbenantrieb in zwei Betriebsstellungen.
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Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung den Aufbau einer bevorzugten
Ausführung der Probenentnahmevorrichtung. Diese Vorrichtung ist als tragbares
Gerät
für den Einsatz in der Kanalisation ausgebildet, wobei alle Vorrichtungsteile in
einem gemeinsamen, mit einer gestrichelten Umrißlinie angedeuteten Gehäuse 10 untergebracht
sind. Das Gerät weist einen äußeren Druckgasanschluß 11 auf, an welchen eine nicht
dargestellte Druckgasflasche angeschlossen sein kann. Außerdem ist aus dem Gehäuse
10 eine Flüssigkeitszuleitung 12 für die Probenflüssigkeit herausgeführt, deren
äußeres Ende 12a in eine schematisch angedeutete Kanalrinne 13 ragt. Die Flüssigkeitszuleitung
12 ist im Innern des immer höher als die Probenentnahmestelle angeordneten Gerätes
10 durch den Deckel 14 einer Meßkammer 15 hindurchgeführt, so daß das obere Ende
12b der Flüssigkeitszuleitung 12 in einem bestimmten Abstand a vom Deckel 14 in
der Meßkammer 15 endet.
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Der trichterförmige Boden der Meßkammer 15 endet in einem Auslaufstutzen
16, an welchen eine mit einem Ventil 17 versehene Auslaufleitung 18 angeschlossen
ist, die über einem drehscheibentrtigen Probengefäßträger 19 endet, auf welchem
mehrere flaschenförmige Probengefäße 20 angeordnet sind, die nacheinander in vorgegebenen
Zeitabständen mit Proben der Kanalfltßsigkeit gefüllt werden sollen.
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An den Deckel 14 der Meßkammer 15 sind noch eine durch ein Ventil
21 verschließbare Entlüftungsleitung 22 und eine Verbindungsleitung 23 zu einer
Doppelmembranpumpe 24 angeschlossen. Die Wirkungsweise dieser Doppelmembranpumpe
24 wird nachfolgend anhand der Figur 2 näher erläutert.
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Im Innern des Gehäuses 10 ist eine nicht näher dargestellte Steuereinrichtung
25 angeordnet. Sie weist ein hier nicht interessierendes Programmlaufwerk auf, das
zeitabhängig, mengenabhängig oder ereignisabhängig Steuersignale erteilt, welche
eine bestimmte Verteilung der anstehenden Druckluft über die als einfache Striche
angedeuteten Steuerleitungen 26, 27, 28, 29 zu der Doppelmembranpumpe 24 und den
beiden Quetschventilen 17 und 21 steuert.
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Hierbei kann auch eine Rückmeldeverbindung 30 von der Doppelmembranpumpe
24 zur Steuereinrichtung 25 vorgesehen sein. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind
eine ebenfalls pneumatisch betriebene Drehschritt-Antriebsvorrichtung für den Probengefäßträger
19 und seine ebenfalls über die Steuereinrichtung 25 führende Antriebsleitung in
Figur 1 nicht dargestellt, weil sie nicht erfindungswesentlich sind.
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Fig. 2 zeigt die Doppelmembranpumpe 24 im zentralen Längsschnitt in
drei unterschiedlichen Stellungen I, II und III. Die beiden Membranen 31 und 32
der
Doppelmembranpumpe 24 trennen jeweils gleiche Pumpenkammern
33, 34 bzw. 35 und 36 voneinander und sind durch einen starren Stab 37 miteinander
fest gekoppelt. Auf dem Stab 37 ist eine auf Zug und Druck beanspruchbare Rückstellfeder
38 angeordnet.
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Der Stab 37 ist mit einem Endabschnitt 37a aus dem Gehäuse der Doppelmembranpumpe
24 hinausgeführt.
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Dieser Endbereich kann gemäß Fig. 1 als Steuerteil eingesetzt sein
und mit einem pneumatischen Endschalter 39 zusammenwirken0 An die Pumpenkammer 33
der Doppelmembranpumpe 24 ist die zur Meßkammer 15 führende Verbindungsleitung 23
angeschlossen. Zu der Pumpenkammer 34 und der Pumpenkammer 35 führen die Steuerleitungen
26 bzw. 27 für eine Druckluftzufuhr über die Steuereinrichtung 25.
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Die Pumpenkammer 36 ist dauernd entlüftet.
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Die Stellung I zeigt die Doppelmembranpumpe 24 in ihrer Ruhestellung,
in welcher die beiden Membranen 31 und 32 ihre Mittellage einnehmen und die Rückstellfeder
38 entspannt ist. Alle Anschlüsse 23, 26 und 27 sind drucklos.
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Sobald das Programmlaufwerk den Befehl zu einer Probenentnahme erteilt,
wird zunächst Druckluft über die Leitung 26 in die Pumpenkammer 34 gegeben,
wodurch
die Doppelmembranpumpe 24 die Stellung II einnimmt. Das in der Pumpenkammer 33 enthaltene
Luftvolumen wird über die Verbindungsleitung 23 in die Meßkammer 15 gedrückt. Die
Quetschventile 17 und 21 und damit auch die Entlüftungsleitung 22 und die Auslaufleitung
18 sind geschlossen. Die aus der Membranpumpenkammer 33 verdrängte Luft kann also
nur durch die Flüssigkeitszuleitung 12 in die Kanalrinne 13 entweichen und bewirkt
dabei das gewünschte Ausblasen dieser Leitung.
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Nach dem Ausblasen der Leitung erfolgt eine durch den Endschalter
39 ausgelöste Umsteuerung der Steuereinrichtung 25. Es wird nun Druck über die Leitung
27 in die Pumpenkammer 35 gegeben, während die Druckleitung 26 entlüftet wird. Der
Druck in der Pumpenkammer 35 bewirkt die Stellung III der Membranpumpe 24. Der Pumpenraum
33 wird vergrößert und dementsprechend ein Unterdruck in der Verbindungsleitung
23 und in der Meßkammer 15 erzeugt, der ein Ansaugen von Probenflüssigkeit aus der
Kanalrinne 13 über die Flüssigkeitszuleitung 12 in die Meßkammer 15 bewirkt. Anschließend
wird die Druckluftzufuhr zur Leitung 27 unterbrochen, so daß die Doppelmembranpumpe
24 wieder ihre Ruhestellung I einnimmt. Gleichzeitig wird das Entlüftungsventil
21
geöffnet und damit der Unterdruck in der Meßkammer 15 beseitigt.
Probenflüssigkeit, die sich in der Meßkammer 15 über dem durch das Ende 12b der
Flüssigkeitszuleitung 12 bestimmten Meßniveau befindet, wird durch die Flüssigkeitszuleitung
12 in die Kanalrinne 13 zurückgesaugt. Anschließend wird durch Öffnen des Quetschventiles
17 die nunmehr genau dosierte Probenmenge durch die Abflußleitung 18 in ein Probengefäß
20 ausgeleitet. Schließlich werden die beiden Quetschventile 17 und 21 wieder geschlossen,
der Probengefäßträger 19 wird um einen Schritt weitergeschaltet und das Gerät ist
für eine nächste Probenentnahme vorbereitet.
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Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher das Gerät 10' so hoch
über der Kanalrinne 13 angeordnet werden muß, daß der Saughub der Doppelmembranpumpe
24' nicht mehr zum Hochfördern von Probenflüssigkeit in die Meßkammer 15' ausreichen
würde. Daher ist bei diesem Ausführungsbeispiel die Doppelmembranpumpe 24' in einem
gesonderten Gehäuse 40 untergebracht, das in Kanalnähe angeordnet ist. Die Doppelmembranpumpe
24' ist in diesem Falle mit ihrer einen Kammer 33' über ein Quetschventil 41 mit
einer Ansaugleitung 42 und gleichzeitig über ein Quetschventil 43 mit einer zur
Meßkammer 15' führenden Förderleitung 44 verbunden. Zu den Pumpenkammern 34' und
35' führen wieder Druckluftleitungen 26 und 27 über einen gemeinsamen Druckgasleitungsstrang
45 zur Steuereinrichtung 25' des Geräts 10'.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 wird das Probenmedium durch die
Pumpenkammer 33' hindurch in die Förderleitung 44 geleitet. Die Doppelmembranpumpe
24 t wird auf gleiche Weise betrieben, wie in Verbindung mit Fig. 2 beschrieben
worden ist. Zunächst wird durch Druckgaseinführung in die Kammer 34' bei geöffnetem
Quetschventil 41 ein Ausblasen der Saugleitung 42 mit Hilfe des in der Pumpenkammer
33' enthaltenen Luftvolumens bewirkt. Anschließend wird durch Druckzufuhr zur Pumpenkammer
35' bei weiterhin geöffnetem Quetschventil 41 Probenflüssigkeit aus der Kanalrinne
13 in die Pumpenkammer 33' angesaugt.
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Anschließend wird das Quetschventil 41 geschlossen und das Quetschventil
43 geöffnet und durch Druckwechsel in die Pumpenkammer 34' die Probenflüssigkeit
aus der Pumpenkammer 33' verdrängt und über die Förderleitung 44 in die Meßkammer
15' geleitet.
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Dort erfolgt die Weiterbehandlung der Probenflüssigkeit auf gleiche
Weise wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 Nach dem Füllen der Meßkammer 15'
mit Probenflüssigkeit erfolgt bei gleichzeitig geöffneten Quetschventilen 41 und
43 ein Rückfluß überschüssiger Probenflüssigkeit aus der Meßkammer 15' durch Saughub
über die Förderleitung 44, die Pumpenkammer 33' und die Ansaugleitung 42.
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Fig. 4 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform einer Membranpumpe
46. Diese Membranpumpe 46 weist nur eie einzige Membran 47 auf, welche zwei Pumpenkammern
48 und 49 voneinander trennt. Die eine Pumpenkammer 48 ist über einen Anschluß 50
mit der Verbindungsleitung 23 beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 oder der Saugleitung
42 beim Ausführungsbei spiel nach Fig. 3 verbunden, während die andere Pumpenkammer
49 über einen Anschluß 51 mit der Steuereinrichtung 25 oder 25' verbunden ist.
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Am Anschluß 51 muß zum Betrieb der Membranpumpe 46 abwechselnd Überdruck
oder Unterdruck angelegt werden, während bei der Doppelmembranpumpe 24 nach Fig.
2 nur mit Überdruck gearbeitet wird.
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In Fig. 4 sind nur die beiden Betriebsstellungen II und III der Membranpumpe
46 dargestellt. In der Stellung II erfolgt das Freiblasen der Ansaugleitung mit
Hilfe des in der Kammer 48 enthaltenen Luftvolumens. Die entsprechende Verstellung
der Membrane 47 wird durch Überdruck in der Pumpenkammer 49 bewirkt.
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In der Stellung III erfolgt das Ansaugen von Probenflüssigkeit durch
Vergrößerung der Pumpenkammer 48
und dadurch bewirkte Unterdruckerzeugung
in dieser Kammer. Die Verstellung der Membran 47 wird durch Unterdruckerzeugung
in der Pumpenkammer 49 über den Anschluß 51 bewirkt.
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Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Membranpumpe 52. Diese
Membranpumpe 52 weist nur eine einzige Membran 53 auf, die von einem Druckzylinder
54 über einen starr mit der Membran 53 gekoppelten Kolben mit Kolbenstange 55 betätigt
ist.
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Die Pumpenkammer 56 ist über einen Anschluß 57 mit der Verbindungsleitung
23 beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 oder der Saugleitung 42 beim Ausführungsbeispiel
nach Fig. 3 verbunden. Am Anschluß des Druckzylinders 54 wird nur mit Überdruck
gearbeitet.
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In Fig. 5 sind die beiden Betriebsstellungen I und II der Membranpumpe
52 dargestellt.
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Sobald das Programmlaufwerk den Befehl zu einer Probenentnahme erteilt,
schließen die Ventile 17 und 21 und der Druckzylinder 54 wird entlüftet, wodurch
die Membrane 53 mittels Rückstellfeder 58 nach unten gedrückt wird. Das in der Pumpenkammer
56 enthaltene Luftvolumen wird über die Verbindungsleitung 23 in die Meßkammer 15
gedrückt. Die aus der Pumpenkammer 56 verdrängte Luft kann also nur durch die Flüssigkeitszuleitung
12 in die Kanalrinne 13 entweichen und bewirkt dabei das gewünschte Ausblasen der
Leitung. Nach dem
Ausblasen der Leitung 12 erfolgt eine Druckbeaufschlagung
des Druckzylinders 54, so daß der Kolben mit Kolbenstange 55 die starr mit ihm befestigte
Membrane 53 nach oben zieht und dadurch der Pumpenraum vergrößert wird. Dementsprechend
wird ein Unterdruck in der Meßkammer 15 und der Flüssigkeitszuleitung 12 erzeugt,
so daß ein Ansaugen von Probenflüssigkeit aus der Kanalrinne 13 über die Flüssigkeitszuleitung
12 in die Meßkammer 15 bewirkt wird. Nach Erreichen der oberen Stellung II durch
den Kolben mit Kolbenstange 55 bzw. der Membran 53 erfolgt durch das betätigte Steuerventil
39 das Öffnen des Belüftungsventiles 21, so daß, wie bereits beschrieben und erläutert,
die nicht benötigte Probenflüssigkeit aus der Meßkammer 15 bis zur eingestellten
Menge abgehebert wird.
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Die Probendosierung in die Probensammelflaschen erfolgt - wie bereits
beschrieben - durch Öffnen des Ventiles 17 in die einzelnen Probenbehälter 20.
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Die obere Lage, Betriebsstellung II, wird so lange beibehalten, bis
eine neue Probe entnommen wird.
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Danach wiederholt sich der Entnahme zyklus wie oben beschrieben.